Dynamic analysis on a bridge during the construction stage: numerical and experimental evaluation of the response on a scale model

Bridges play a crucial role for transportation networks, enabling safe and efficient transit systems. The design of a bridge is an intricate process that goes beyond ensuring performance throughout its lifespan, as also the construction phase plays a crucial role in guaranteeing overall durability. In particular, accidental forces during construction can compromise the structural integrity of bridges. These actions can arise unpredictably, ranging from natural disasters to hazards at the construction site. The main focus is on examining the response generated by the dynamic forces of wind action and sudden formwork release. To investigate these effects on under-construction cable-stayed bridges, an aeroelastic scale model (scale 1:100) of the Bioceánico Bridge has been designed according to precise scaling rules. Wind analysis has been experimentally conducted in the Polimi Wind Tunnel. Different configurations for the construction stage have been considered (Tower Stand Alone, Double Cantilever). The dynamic response has been assessed under various angles of attack and wind velocities. A numerical model of the formwork release has been validated through a comparison with experimental results. The model has been then refined to improve the accuracy of the expected range of deck displacements. The results have been compared with those derived through the normative approach, which suggests the use of a static load magnifier. Parametric analyses have been performed to assess the dependence of the overall response on different damping factors of the bridge and various release angles of the formwork. In the end, further investigations have been suggested, as the modelling of different formwork to validate the response. By expanding the analysis and improving the assessment of accidental actions, the aim is to enhance the overall reliability and safety of bridge during construction.

I ponti svolgono un ruolo cruciale nelle reti di trasporto, consentendo sistemi di transito sicuri ed efficienti. La progettazione di un ponte è un intricato processo che va oltre l'assicurare elevate prestazioni durante la vita utile, poiché anche la fase di costruzione svolge un compito essenziale nel garantire la durabilità della struttura. In particolare, le forze accidentali possono compromettere l'integrità strutturale durante la costruzione del ponte. Queste azioni possono manifestarsi in modo imprevedibile e possono essere di varia natura: da disastri ambientali a incidenti sul cantiere. Particolare attenzione è stata posta sulla risposta generata dalle forze dinamiche dell'azione del vento e del rilascio improvviso della cassaforma. Per valutare gli effetti sul ponte strallato in fase di costruzione è stato progettato un modello aeroelastico in scala (scala 1:100) del caso studio, il ponte Bioceánico, seguendo precise regole di ridimensionamento. L'azione del vento è stata studiata sperimentalmente nella Galleria del Vento del Politecnico di Milano. Per diverse configurazioni della fase di costruzione è stata valutata la risposta dinamica sotto vari angoli di attacco e diverse velocità del vento. Un modello numerico del cedimento della cassaforma è stato validato attraverso un confronto con i risultati sperimentali ottenuti. Il modello è stato quindi perfezionato per migliorare l'accuratezza della gamma prevista degli spostamenti del ponte. I risultati ottenuti sono stati confrontati con quelli derivati dall'approccio normativo, che suggerisce l'uso di un moltiplicatore statico. È stata inoltre eseguita un'analisi parametrica per valutare la dipendenza della risposta dallo smorzamento del ponte e dai vari angoli di rilascio della cassaforma. Infine, sono suggerite ulteriori indagini, come la modellazione di diversi tipi di cassaforma. Espandendo l'analisi e la valutazione delle azioni accidentali, l'obiettivo è migliorare l'affidabilità complessiva e la sicurezza dei ponti durante la fase di costruzione.